校慶時,學校收到了廣大校友和各界的捐贈。包括錢和實物,總價值相當於五億多人民幣。這對學校是一種重要的激勵,也在實質上有助於改善學校的辦學條件。因此,學校歡迎這類捐贈,而且多多益善。
其實,對學校來說,還有另一種捐贈,同樣是值得歡迎的。
今年七月份,我校機械學院教授、中科院院士周恆將十五本書,通過「北洋基金會」贈送給學校。這本書的扉頁上有一句話:「謹以此書恭賀母校天津大學(原北洋大學)120周年華誕」,因此這是作者對學校校慶的獻禮。如果按書的價格來衡量的話,十五本書,最多值1425元,比起五億多元,實在是區區不足道。但對於學校這樣的單位,顯然有另一種意義。是不能以金錢來衡量的。
這十五本書的書名是《超聲速/高超聲速邊界層的轉捩機理及預測》由科學出版社出版。作者是周恆、蘇彩虹、張永明三人。後兩人原來都是周恆教授的學生,現在都是力學系的老師。
這本專業性極強的新書,其內容涉及的是流體力學中的一個百年難題。
1883年,英國的Reynolds通過圓管中的流動實驗發現,管中流動存在層流和湍流兩種流態,在雷諾數較小時為層流,而在雷諾數增加並超過一定值(即臨界雷諾數)時則變為湍流。隨之轉捩問題就和湍流問題同時出現。
轉捩問題的核心可以歸結為;(1)層流轉變為湍流的過程是一種突變的過程,其機理是什麼。(2)對某一類流動來說,能不能預測其轉捩雷諾數。一百多年來,眾多的流體力學家、物理學家、應用數學家對這一問題進行了研究,其中不乏大師級的人物,如現代流體力學之父普朗特,物理學家海森堡,應用數學家林家翹等,但迄今仍不能說已徹底解決了這一問題。
最初,這些問題只在學術界引起了興趣,工程技術界對它並不關注。二次大戰後,航空技術的發展使得航空界對解決這一問題有了需求。經過幾十年的努力,現在已經可以在大量實驗和經驗的基礎上,用半經驗的辦法預測航空飛行器的轉捩。近三十年來,隨著高超聲速飛行器發展的需求,航天界也對這一問題的解決高度關注起來。但是,與航空技術不同,由於航天技術牽涉到的是高超聲速飛行技術,幾乎不可能靠大量實驗和經驗來積累解決這一問題所需要的經驗數據,而必須在理論和方法上有所創新。因此,儘管已投入了大量人力物力從事這方面的研究,2006年,美國的一個著名專家還說「人們在高超聲速飛行器的轉捩預測上從來都沒有成功過」。最近兩三年,西方國家的高超聲速空氣動力學綜述性文獻上,仍把轉捩預測列為少數幾個沒有克服的難題之一。
周恆教授的團隊,之前對轉捩問題的研究主要是學術性的,例如,研究非線性流動穩定性理論等,沒有把學術研究和技術發展的需求結合起來。從本世紀初開始,他們轉而和航天技術的需求結合起來從事研究。在三個方面取得了進展。
(1)對轉捩過程的機理,取得了新的認識。國外在做這一研究時注意了過程中的一些現象和細節,但不能從根本上說明為何轉捩是一個快速過程。周恆的團隊則發現,轉捩的內在機理是流動的平均流剖面的穩定性特徵發生了變化,使得轉捩過程開始後會形成一個正反饋,從而使得過程具有突變性。(2)他們分析了國外轉捩預測的半經驗方法,發現了其主要的不合理處,提出了改進的方法。結果一方面使得轉捩預測對經驗數據的依賴大大降低,另一方面,一些用原有的方法甚至於連定性都無法說明的轉捩實驗結果,有了不但定性,而且在定量上也合理的解釋。(3)國外對拋物化穩定性方程的方法,只是當成一個計算層流中的擾動演化的一個工具,而周恆的團隊則發現它有更廣泛的用途,在某些特定的條件下可以直接用於轉捩預測。
這三方面的成果雖然不能說已徹底解決了轉捩問題,但顯然可以說在這一問題的解決上,是顯著地向前跨了一步。
《超聲速/高超聲速邊界層的轉捩機理及預測》這本書,用主要的三章系統地闡述了這三方面的成果,使得這本書的百分之八十以上是作者自己的成果。這一比例,即使是在專著中也是很少見的。
由於有了這些結果,團隊正以此為基礎和航天部門開展了相關合作。團隊的一位教授也被任命為總裝備部的『空氣動力專家組』成員。這是非國防口高校專家被任命的唯一一位。可以說是對書中成果的一種肯定。
天津大學是國家的重點大學,正在為儘快成為國際一流大學而努力。國際一流大學的最主要標誌無疑就是出一流人才、出一流成果。周恆院士等的書正是成果的一種。我們不能自吹自誇地說這就是一流成果,但無疑這是朝著這一標準努力的結果。從這一意義來說,這樣的校慶「獻禮」,是和捐款捐物不同的另一種獻禮,其重要意義也是不言而喻的。今後這類來自於廣大教師和學生的禮物也是多多益善。這樣,天津大學辦成世界一流的目標就指日可待了。(本站記者宋雪峰 劉曉豔)